一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台及控制方法与流程

1.本发明属于机床技术领域，尤其涉及一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台及控制方法。


背景技术：

2.为满足现代机械制造业向着高速度、高精度、高效率、高自动化及智能化等方向发展的需要，提高机床静、动、热态性能及性能的智能调控成为亟待解决的问题，特别是近年来发展起来的高速和超高速加工的核心关键技术，不但迫切需要机床工作台具有高“三刚”，即高静刚度、动刚度、热刚度，而且还要求其具有高比刚度，同时，在达到相同的刚度的情况下，力争使其质量最小。当今世界的机床工作台为满足其动、静态性能，所以普遍地沉重。不仅如此，机床金属材料的散热性也是一个问题。采用性能更为突出的结构材料应是解决此类关键问题行之有效的措施。
3.多孔金属是一种具有轻质、高比刚度、高比强度、高吸收冲击能、减振降噪优异性能的结构功能材料。该材料具有千变万化的微结构，在保持高孔隙率的前提下，孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级。因此，多孔金属具有良好的可设计性，可以根据不同应用需求在制备前对其微细观结构进行优化设计及多功能、多学科协同设计。多孔金属所拥有的大量内部孔隙又使其具有另外一条可设计途径，即可以在孔洞中填充介质来丰富或进一步提高其相关特性。特别是若将多孔金属作为芯体材料制成填充结构，该复合材料就会具有更多的可设计性。
4.电流变液(简称erf)属于一类可控制流体，通常是指具有高介电常数的固体粒子均匀分散于低介电常数的绝缘液体介质中所形成的一类稳定悬浮液。当施加电场到这类流体上时，该流体的流变学特性就会在瞬间发生变化，表现最明显的是流体粘度，可以从粘度较小的液态瞬间(几毫秒)变为粘度较大的胶体状态。当将电场撤消后，又可恢复到原来的状态。粘度可控可变的特性使得这类材料在阻尼减振工程领域中有很好的应用前景。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台及控制方法。
6.一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台，包括空心壳体、多孔金属/电流变液芯体、电极板、控制系统，所述多孔金属/电流变液芯体包括多孔金属和电流变液，电流变液注入在多孔金属内部构成多孔金属/电流变液芯体，多孔金属/电流变液芯体填充在空心壳体的空心腔内；所述空心壳体底部开设有楔形凹槽，空心壳体两相对侧面设置有电极板，位于楔形凹槽的两侧；所述电极板与控制系统电连接；所述电流变液为聚丙烯酸作为分散相、甲基硅油作为分散介质的电流变液；
7.所述控制系统包括加速度传感器、电荷处理放大器、plc、d/a转换板、逆变电源，其中加速度传感器附着在工作台铸铁外壳表面，与电荷处理放大器相连，加速度传感器依次
经电荷处理放大器、plc、d/a转换板与逆变电源电连接，逆变电源与外接电源电连接。
8.所述空心壳体为空心铸铁壳体或空心钢壳体。
9.上述的一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台对机床进行控制的控制方法，具体包括以下步骤：
10.步骤一：首先根据多孔金属孔隙的毛细管力对电流变液的吸纳机制计算需填入多孔金属的电流变液体积或质量；然后在设计制造好的对应空心铸铁壳体中填充多孔金属，再次将计算好的电流变液注入多孔金属，最后对空心铸铁壳体外两端分别设置产生电场的电极板；
11.步骤二：机床工作过程中，接通电源，工作台控制系统工作，当机床产生振动时，控制系统中的加速度传感器实时拾取工作台的振动信号，拾取的振动信号经过电荷处理放大器转化为放大的电压信号，然后送入plc，当plc接收到的电压信号所对应的振动幅值在机床工作允许范围内，plc调控逆变电源电压的数值信号为0，当plc接收到的电压信号所对应的振动幅值超出机床工作允许范围，plc输出对应的调控逆变电源电压的数值信号，再通过d/a转换板的数模转换获得调控逆变电源电压的控制信号，将逆变电源电压转换成控制电流变液的电压，施加到电极板之上，使电流变液粘度增大，从而实现工作台减震；
12.步骤三：机床工作结束，切断电源。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)利用轻质、减振特性的多孔金属为芯体、致密金属为外壳体，可使机床工作台具有轻质性和高静、动态特性。
15.(2)由于多孔金属孔洞中的电流变液在不同电场的作用下具有可控、可变高阻尼特性，而当高速运动机床工作台产生振动时，粘滞的电流变液在多孔金属孔洞中流动又形成了附加的粘滞摩擦阻尼，且多孔金属/电流变液芯体与致密金属为外壳体之间又存在结构阻尼，这样又可使工作台具有更高的动态性能；特别是通过对多孔金属中的电流变液的粘度随机床振动情况的随时调控，可实现对工作台动态性能的实时在线的智能控制。
16.(3)以多孔金属/电流变液为工作台的芯体结构，使得即使在无电场作用下，多孔金属可以通过其微细孔隙的毛细管力吸纳存储电流变液，使电流变液不流动不泄露，以至于使该结构机床工作台对电流变液密封容易实现，而且可使电流变液的用量减少、成本降低。
附图说明
17.图1为本发明实施例1提供的一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台的示意图；
18.图2为图1的剖面图；
19.图3为本发明多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台的工作原理图；
20.图4为本发明中控制系统的控制原理框图；
21.其中，
[0022]1‑
空心铸铁壳体，2
‑
电极板，3
‑
多孔金属/电流变液芯体，4
‑
电流变液，5
‑
多孔金属，6
‑
加速度传感器，7
‑
电荷处理放大器，8
‑
plc，9
‑
d/a转换板，10
‑
逆变电源，11
‑
电源。
具体实施方式
[0023]
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
[0024]
实施例1
[0025]
如图1
‑
2所示，一种多孔金属/电流变液芯体复合结构工作台，包括空心壳体、多孔金属/电流变液芯体3、电极板2、控制系统，所述多孔金属/电流变液芯体3包括多孔金属5和电流变液4，电流变液4注入在多孔金属5内部构成多孔金属/电流变液芯体3，多孔金属/电流变液芯体3填充在空心壳体的空心腔内，所述空心壳体底部开设有楔形凹槽，空心壳体两相对侧面设置有电极板2，位于楔形凹槽的两侧；所述电极板2与控制系统电连接。所述电流变液4为聚丙烯酸作为分散相、甲基硅油作为分散介质的电流变液4。
[0026]
如图3
‑
4所示，所述控制系统包括加速度传感器6、电荷处理放大器7、plc 8、d/a转换板9、逆变电源10。其中加速度传感器6附着在工作台铸铁外壳表面，与电荷处理放大器7相连，加速度传感器6依次经电荷处理放大器7、plc 8、d/a转换板9与逆变电源10电连接，逆变电源10与外接电源11电连接。所述加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，经电荷处理放大器7后送入plc 8；plc 8计算出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压施加到电极板2之上。所述plc 8内置有自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制算法，其内部输入有预先依据工作台动态性能参数与需施加在电流变液4之上电压的关系，编制好的自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制的现代控制理论和算法程序，当机床产生振动时，控制系统中的加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，拾取的振动信号经过电荷处理放大器7转化为放大的电压信号，然后送入plc 8，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值在机床工作允许范围内，plc 8调控逆变电源10电压的数值信号为0，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值超出机床工作允许范围，plc 8输出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压，施加到电极板2之上，使电流变液4粘度增大。
[0027]
本实施例中的壳体采用空心铸铁壳体1，所述多孔金属/电流变液芯体3包括多孔金属5和电流变液4，电流变液4注入在多孔金属5内部构成多孔金属/电流变液芯体3，多孔金属/电流变液芯体3填充在空心铸铁壳体1的空心腔内，所述空心铸铁壳体1底部开设有楔形凹槽，空心铸铁壳体1两相对侧面设置有电极板2，位于楔形凹槽的两侧；所述电极板2与控制系统电连接。
[0028]
所述加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，经电荷处理放大器7后送入plc 8；plc 8通过上述事先输入的编制好的程序计算出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压施加到电极板2之上。这样即可实现对多孔金属/电流变液芯体3复合结构机床工作台的动态性能的智能控制。
[0029]
采用上述本实施例提供的一种多孔金属/电流变液芯体3复合结构工作台在机床工作时进行机床工作台的动态性能的智能控制，具体方法，包括以下步骤：
[0030]
步骤一：首先根据多孔金属5孔隙的毛细管力对电流变液4的吸纳机制计算需填入
多孔金属5的电流变液4体积或质量，具体为多孔金属5的体积与孔隙率相乘；然后在设计制造好的对应空心铸铁壳体1中填充多孔金属5，再次将计算好的电流变液4注入多孔金属5，最后对空心铸铁壳体1外两端分别设置产生电场的电极板2。这样使多孔金属5在机床工作台不工作、电流变液4无电场作用时，可以通过其微细孔隙的毛细管力吸纳存储电流变液4使电流变液4不流动不泄露，以至使电流变液4用量少、密封容易实现；而当在机床工作台工作并发生振动时，在电场作用下，具有一定粘度性的电流变液4在多孔金属5的孔隙中发生微量相对运动，改变了电流变液4在多孔金属5的孔隙中的流动状态、阻尼特性及散热和导热性能，产生粘滞阻尼，最终实现对工作台动态性能的智能调控。
[0031]
步骤二：机床工作过程中，接通电源11，工作台控制系统工作。当机床产生振动时，控制系统中的加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，拾取的振动信号经过电荷处理放大器7转化为放大的电压信号，然后送入plc 8，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值在机床工作允许范围内，plc 8调控逆变电源10电压的数值信号为0，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值超出机床工作允许范围，plc 8输出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压，施加到电极板2之上，使电流变液4粘度增大，从而实现工作台减震。
[0032]
步骤三：机床工作结束，切断电源11。
[0033]
实施例2
[0034]
一种多孔金属/电流变液芯体3复合结构工作台，包括空心壳体、多孔金属/电流变液芯体3、电极板2、控制系统，所述多孔金属/电流变液芯体3包括多孔金属5和电流变液4，电流变液4注入在多孔金属5内部构成多孔金属/电流变液芯体3，多孔金属/电流变液芯体3填充在空心壳体的空心腔内，所述空心壳体底部开设有楔形凹槽，空心壳体两相对侧面设置有电极板2，位于楔形凹槽的两侧；所述电极板2与控制系统电连接。所述电流变液4为聚丙烯酸作为分散相、甲基硅油作为分散介质的电流变液4。
[0035]
所述控制系统包括加速度传感器6、电荷处理放大器7、plc 8、d/a转换板9、逆变电源10。其中加速度传感器6附着在工作台铸铁外壳表面，与电荷处理放大器7相连，加速度传感器6依次经电荷处理放大器7、plc 8、d/a转换板与逆变电源10电连接，逆变电源10与外接电源11电连接。所述加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，经电荷处理放大器7后送入plc 8；plc 8计算出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压施加到电极板2之上。所述plc 8内置有自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制算法，其内部输入有预先依据工作台动态性能参数与需施加在电流变液4之上电压的关系型编制好的自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制的现代控制理论和算法程序，工作台动态性能与需施加在电流变液4之上电压的关系型为当机床产生振动，控制系统中的加速度传感器6和温度传感器实时拾取工作台的振动信号，拾取的振动信号经过电荷处理放大器7转化为放大的电压信号，然后送入plc 8，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值和温度大小在机床工作允许范围内，plc 8调控逆变电源10电压的数值信号为0；当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值超出机床工作允许范围，plc 8输出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆
变电源10电压转换成控制电流变液4的电压，施加到电极板2之上，使电流变液4粘度增大。
[0036]
本实施例中的壳体采用空心钢壳体，所述多孔金属/电流变液芯体3包括多孔金属5和电流变液4，电流变液4注入在多孔金属5内部构成多孔金属/电流变液芯体3，多孔金属/电流变液芯体3填充在空心钢壳体的空心腔内，所述空心钢壳体底部开设有楔形凹槽，空心钢壳体两相对侧面设置有电极板2，位于楔形凹槽的两侧；所述电极板2与控制系统电连接。
[0037]
所述加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，经电荷处理放大器7后送入plc 8；plc 8通过上述事先输入的编制好的程序计算出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压施加到电极板2之上。这样即可实现对多孔金属/电流变液芯体3复合结构机床工作台的动态性能的智能控制。
[0038]
采用上述本实施例提供的一种多孔金属/电流变液芯体3复合结构工作台在机床工作时进行机床工作台的动态性能的智能控制，具体方法，包括以下步骤：
[0039]
步骤一：首先根据多孔金属5孔隙的毛细管力对电流变液4的吸纳机制计算需填入多孔金属5的电流变液4体积或质量，具体为多孔金属5的体积与孔隙率相乘；然后在设计制造好的对应空心钢壳体中填充多孔金属5，再次将计算好的电流变液4注入多孔金属5，最后对空心钢壳体外两端分别设置产生电场的电极板2。这样使多孔金属5在机床工作台不工作、电流变液4无电场作用时，可以通过其微细孔隙的毛细管力吸纳存储电流变液4使电流变液4不流动不泄露，以至使电流变液4用量少、密封容易实现；而当在机床工作台工作并发生振动时，在电场作用下，具有一定粘度性的电流变液4在多孔金属5的孔隙中发生微量相对运动，改变了电流变液4在多孔金属5的孔隙中的流动状态、阻尼特性及散热和导热性能，产生粘滞阻尼，最终实现对工作台动态性能的智能调控。
[0040]
步骤二：机床工作过程中，接通电源11，工作台控制系统工作。当机床产生振动时，控制系统中的加速度传感器6实时拾取工作台的振动信号，拾取的振动信号经过电荷处理放大器7转化为放大的电压信号，然后送入plc 8，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值在机床工作允许范围内，plc 8调控逆变电源10电压的数值信号为0，当plc 8接收到的电压信号所对应的振动幅值超出机床工作允许范围，plc 8输出对应的调控逆变电源10电压的数值信号，再通过d/a转换板9的数模转换获得调控逆变电源10电压的控制信号，将逆变电源10电压转换成控制电流变液4的电压，施加到电极板2之上，使电流变液4粘度增大，从而实现工作台减震。
[0041]
步骤三：机床工作结束，切断电源11。